CC BY
35Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова 2009, №3
Ата Эль-К. Солиман, д-р философии Университет Хелвен, Арабская Республика Египет Юрьев А.Г., акад. РАЕ, д-р техн. наук, проф., MICE (Великобритания),
Панченко Л.А., канд. техн. наук, доц. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.Шухова
УГЛЕПЛАСТИКИ В УПРАВЛЯЕМЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ataelkareim [email protected]
Используются электромеханические свойства углепластиков для регулирования внутренних усилий в конструкциях с внешним армированием.
Ключевые слова: углеродные материалы, ПАН-волокна, гидрокарбонаты, пековые волокна, композиционные материалы
Кристаллические формы углеродных материалов соответствуют структурам алмаза и графита. В углеродных волокнах микрокристаллы имеют структуру графита. Она состоит из плоских, гексагонально уложенных слоев атомов углерода.
Взаимодействие атомов в этих слоях -сильное ковалентное (~525 кДж/моль). Межслоевая связь определяется слабым ван-дер-Ваальсовым взаимодействием (менее 10 кДж/моль). В связи с этим кристаллу графита присуща сильная анизотропия. Теоретический модуль упругости графита достигает 1000 ГПа в плоскости слоев решетки и только 35 ГПа в перпендикулярном направлении [1]. Волокно с высоким модулем упругости можно получить, ориентируя слои атомов углерода параллельно его оси. Благодаря относительно низкой плотности (~2000 кг/м3) оно имеет очень высокую удельную жесткость.
Механические свойства волокон очень сильно зависят от материала, из которого они производятся, и условий карбонизации, поскольку они определяют степень дефектности кристаллов. С начала 80-х годов XX века растут объемы производства углеродных волокон на основе полиакрилонитрильного материала (ПАН-волокна).
Вначале ПАН-волокна вытягивают на 5001300% для установленной ориентации молекул, а затем нагревают на воздухе под нагрузкой до 200-280°С. В результате внутримолекулярной перестройки образуется трехмерная сетчатая структура, противостоящая потере устойчивости при дальнейшей термообработке.
В результате окисления образуется вещество оксиПАН. Нагреванием его в азотной или аргоновой атмосфере при 900-1200°С получают низкомодульные высокопрочные углеродные волокна. Они имеют кристаллическую структуру с ориентацией
слоев решетки параллельно оси волокна. Этому сопутствуют высокая пористость и малая плотность.
Дальнейший нагрев в аргоновой атмосфере приводит к графитизации волокон, при которой увеличивается жесткость, а плотность возрастает до 2000 кг/м3, т.е. приближается к плотности графита (2260 кг/м3). Модуль упругости увеличивается при возрастании температуры нагрева, а затем плавно снижается. Поэтому требования получения высокой прочности и жесткости взаимно противоречивы.
Разработка высокопрочных ПАН-волокон привела к созданию так называемых высокодеформативных волокон, у которых деформация при разрыве составляет 2 %. Углеродные волокна деформируются линейно упруго вплоть до разрушения. Их подвергают поверхностной обработке для улучшения адгезионной связи с термореактивными и термопластичными матричными полимерами. В результате окисления волокон их поверхность становится более шероховатой, а после покрытия замасливателем обеспечивается связь с матрицей.
В качестве сырья для получения углеродных волокон используют также получаемые из нефти и угля пеки, содержащие сложную смесь высокомолекулярных алифатических и ароматических гидрокарбонатов, содержащих большое количество атомов углерода. В результате аналогичных технологических процессов получают волокна с весьма совершенной структурой микрокристаллов графита, обладающих высокой степенью оптимальной ориентации слоев решетки. Пековые волокна могут иметь большие величины модуля продольной упругости, плотности и прочности (для Р-120 8 они составляют 827 ГПа; 2,18 т/м3 и 2200 МПа).
На базе углеродных волокон были созданы фиброармированные пластики, обладающие чрезвычайно высокими удельными (по отношению к плотности) прочностными и жесткостными показателями. Это
предопределило широкое внедрение углепластиков в авиационной и аэрокосмической отрасли промышленности, начиная с 60-х годов XX века.
Увеличение объема производства углеродных волокон привело к применению углепластиков в других отраслях техники, в частности, для усиления строительных конструкций. Особую актуальность это мероприятие приобретает при их ремонте.
С 1994 года количество реализованных проектов по реконструкции железобетонных сооружений с использованием углепластиков растет в геометрической прогрессии [2]. Новая технология применялась для пролетных строений и опор мостов, для резервуаров и дымовых труб, для колонн и перекрытий зданий. В последние годы они используются для укрепления каменных и деревянных конструкций. Нередко восстановление строительных конструкций приходится решать одновременно с их усилением для восприятия повышенных технологических нагрузок.
Композиционные материалы на базе углеродных волокон подразделяются на две группы: 1) углеродные ткани в рулонах, наклеиваемых слоями с помощью эпоксидных смол на поверхность восстанавливаемой или усиливаемой конструкции; 2) жесткие композиционные ленты (ламинаты),
изготовляемые в заводских условиях. Последние производятся путем пропитки углеродной ткани в ванне с эпоксидным составом, формирования пакета из необходимого количества слоев пропитанной ткани и последующей его термообработки до полного отверждения смолы.
Внешнее армирование железобетонных конструкций получило развитие с 50-х годов XX века. В качестве армирующих элементов использовали стальные стержни или полосы (пластины), а также преднапряженные канаты. Этому способствовало освоение технологии приклеивания полос (пластин) к поверхности усиливаемого элемента эпоксидными адгезивами. Помимо решения проблемы прочности, повышалась жесткость конструкции и трещиностойкость.
Мощный импульс этому способу усиления конструкции придало использование
композиционных материалов, в особенности, углепластиков. Обладая физико-механическими
свойствами, близкими к характеристикам стали, они имеют перед ней большое преимущество в отношении стойкости к различным агрессивным средам.
Результаты исследования напряженно -деформированного состояния изгибаемых элементов, подкрепленных полосами из полимеров, армированных углеродными волокнами, представлены в работе [3]. Особое внимание уделено исследованию напряженного состояния соединительного слоя, отвечающего за композицию материалов. Установлен критерий разрушения, получивший
экспериментальное подтверждение.
Число слоев в полосе оказывает незначительное влияние на величину разрушающей нагрузки. Увеличение числа слоев приводит лишь к небольшому ее росту, а при превышении известного предела - даже к некоторому уменьшению.
В то же время следует отметить значительное влияние длины неподкрепленного участка изгибаемого элемента на величину разрушающей нагрузки. При сокращении этой длины в 2,5 и 5 раз нагрузка возрастала примерно в 1,5 и 2,3 раза.
Сравнение результатов экспериментов при подкреплении балки полосами из полимера, армированного углеродными волокнами, и стали показало, что в последнем случае увеличивается риск отслаивания полосы, что вызывает необходимость дополнительной анкеровки и приводит к определенным технологическим затруднениям.
Способ внешнего армирования имеет перспективу использования в управляемых конструкциях, под которыми понимаются системы автоматического управления. Природа дает нам многочисленные примеры реагирования систем на внешние воздействия. Высшие организмы, как правило, представляют собой саморегулирующиеся системы. Определенная синхронность и
последовательность многочисленных
физиологических реакций обеспечивает, за счет интеграции систем и уровней организации, общую адаптивную способность. Достаточно изменить условия направление и величину силовых воздействий, как система начинает перестраиваться, а именно, происходит перераспределение материала, рождение новых форм [4].
Так, дерево, стремясь обеспечить равнонапряженность своей поверхности, реагирует на возрастание напряжений в местах повреждений, связанных с потерей массы.
Дополнительная древесина растет так долго, пока пики напряжений не ликвидируются и силовой поток в поверхностном слое не станет равномерным.
Существует предположение, что сигнализатором в таких случаях служит изменение биоэлектрического потенциала клеток в местах изменения напряжений. Это своего рода природные датчики, которые в инженерном варианте присутствуют в управляемых конструкциях.
С помощью рентгеновских анализов установлено, что решетчатая структура графита подвергается растяжению при электрическом заряде. Оно больше при положительном заряде, чем при отрицательном. Это свойство можно надлежащим образом использовать для
повышения эффекта внешнего армирования при усилении конструкции и управления ею.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Мэттьюз, Ф. Композитные материалы. Механика и технология / Ф.Мэттьюз, Р.Ролингс. -М.: Техносфера, 2004. - 408 с.
2. Хаютин, Ю.Г. Применение углепластиков для усиления строительных конструкций / Ю.Г.Хаютин, В.Л.Чернявский, Е.З.Аксельрод // Бетон и железобетон. - 2002. - № 6. - С. 17-20.
3. Юрьев, А.Г. Волокнистые композиты в строительных конструкциях / А.Г.Юрьев, Л.А.Панченко, Р.В.Лесовик. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2006. - 90 с.
4. Юрьев, А.Г. Естественный фактор оптимизации конструкций / А.Г.Юрьев. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2003. - 110 с.
